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当前位置: 首页>新闻> 十一维带你深度解析过渡金属二硫化物(TMDs)

 一、简介

 

1、TMDs是什么

过渡金属二硫化碳(TMDs)是下一代电子学发展的极有希望的构建基块,它既具有石墨烯优异的热、电子、光学和机械性能,更具有石墨烯所不具备的带隙。根据过渡金属(M;例如,WMoTiNbTa)和硫族元素(X SSeTe)的组合,化学计量比为MX2TMD40多种不同类型;它们形成了堆叠的二维三层X–M–X(例如S–W–S)层,

2、TMDs的性能

这些层通过微弱的相互作用得以稳定。每层材料由三层构成,中间是一个M原子,共价键合到位于薄板顶部和底部的六个X原子。尽管这些三层薄板内部的键是共价键,但相邻的单层之间通过范德华相互作用而堆叠。不同的金属和硫属元素的组合下,材料可以是金属、半金属或半导体。例如,硫化钨(WS2)和硫化钼(MoS2)是半导体,而硒化铌(NbSe2)是金属。与有机半导体的迁移率差不同,半导体TMD化合物可以具有较高的迁移率。此外,电子特性在很大程度上取决于层数;例如,单层MoS2WS2是直接间隙半导体,其间隙能量(Eg)分别为1.92.1 eV,而块状MoS2WS2是间接间隙半导体,其Eg值为1.2–1.3 eV.4[1]

3、TMDs的结构

 

1 天然MS 2M = MoW)的示意图,a)侧视图,b)顶视图。 1T2H3R过渡金属二卤化物及其相应金属原子配位的结构表示。[2]

具有分层结构的过渡金属二卤化物,如MoS 2WS 22D材料,1a1b展示了SM原子的层为六边形结构,每个M原子位于由六个S原子形成的三棱柱的中心。S-M-S三明治状结构被认为是MS 2的单层结构,通过弱范德华相互作用而堆叠。 TMD显示出类似石墨的分层结构,从而导致其电气、化学、机械和热性能方面的强烈各向异性。通常,TMD共有三种类型的结构,分别为1T2H3R,其中字母代表三角,六边形和菱面体(图1c)。 1TMoS 2是在1990年代发现的亚稳态结构,具有八面体配位和四边形对称性,并且只有一个S-Mo-S作为重复单元。在特定条件下,亚稳1T相可以转变为稳定的2H相。通常,2H-MoS 2具有MoS原子的三棱柱形排列,下层中的S原子位于上层中的S原子正下方,对于1T-MoS 2,上下平面中的S原子彼此偏移30°,以使Mo原子位于S层的八面体孔中。因此,1T-MoS 2的电子衍射图通常在2H结构的六边形斑点之间以30°角显示一个额外的六边形斑点。通过将2H1T相结构的HRTEM图像进行比较,发现在2H-MoS 2的情况下,三个S原子围绕一个Mo原子,而对于1T结构,六个S原子围绕一个Mo原子。尽管这种扭曲的1T相结构是亚稳态,但是1TTMDs的金属性质的发现为理解TMD及其性质提供了新的视角。

4、TMDs的应用领域

基于过渡金属二硫化物的纳米材料(MoS2WS2)具有多种应用,例如超级润滑剂,电池材料,扫描探针显微镜的针尖,薄膜晶体管(TFT),场效应晶体管(FET),增强和耗尽型晶体管,发光二极管(LED),气体传感器,氢评估催化剂,肖特基势垒太阳能电池,体异质结太阳能电池和UV范围光电探测器。制备TMD薄层,包括透明胶带辅助的微机械剥离,溶液剥离,插层辅助剥离,原子层沉积,物理气相沉积,溅射,原子层的化学修饰CAL气相沉积和电化学合成[1]

 

 二、产品

 

十一维科技有限公司立足于前沿科研材料的基础研发,做到精于细节,不断提高。现已可以提供大部分高质量的TMDs材料,包含不同材料、不同衬底、不同尺寸等等周边服务,助力科研,我们是您最好的伙伴。

 

1、二硫化钼

 

光学表征图

   

 

光学表征是检验CVD制备的二硫化钼最重要且最直观的表征手段之一,通过观察光学显微镜下的二硫化钼,其单晶的形貌、均匀性、连续性、等一系列特征可以直观的呈现。如图为我司所制备的三角形单晶二硫化钼,通过对比裸露的衬底,可以更为清晰的观察到二硫化钼薄膜的标准三角形形貌,均匀的铺满视野,证明其具有良好的均一性。

 

扫描电镜图

扫描电子显微镜作为判断二维材料制备成功与否的关键标准之一,可以有效地获取二硫化钼的表面形貌、形状和缺陷等信息,图为我司制备的二硫化钼三角形单晶样品,图中可见该样品具有极好的二硫化钼理论单晶形貌,薄膜完整性良好

拉曼光谱

拉曼光谱作为二维材料表征应用最广泛的手段之一,可精确的反映出材料的层数、质量等有效信息。上图为我司制备的单晶二硫化钼拉曼光谱,其中E12gA1g两个峰之位移间距为21cm-1,且两峰强度较高,与文献中单层二硫化钼的拉曼峰一致,因此可作为高质量单晶二硫化钼的直接证明手段。

PL光谱

众所周知,二硫化钼的带隙可随着其层数的减小而增加至1.87 eV附近,而块状及多层的二硫化钼具有小至1.2 eV左右的带隙,这一指标成为了判定二硫化钼层数的重要标准。如图为我司所制备的二硫化钼样品的光致发光光谱,样品的带隙位于1.89 eV附近。

 

2、二硫化钨

 

 光学表征图


二硒化钨单晶为三角形,单晶薄膜均匀,支持定做单晶尺寸,可达百微米级别的单晶。

 

扫描电镜图

单晶二硫化钨呈现标准的三角形形状[3]

拉曼光谱

CVD生长的WS2单分子层揭示了两个位于355.5417.3 cm-1两种模式之间的差异为61.8 cm-1,它们是众所周知的E12gA1g模式。所有拉曼信号特征均与机械剥离单层样品的特征一致,表明在我们的CVD样品中不存在明显的应变和掺杂。对于WS2而言,其E12gA1g峰会随着层数的增加分别红移和蓝移。[3]

AFM表征图

显示出约为0.7nm的单层WS2厚度。[4]

 

3、二硒化钼

 

光学表征图

二硒化钼单晶为三角形,单晶均匀。

拉曼表征图

 

A1g模式从块状MoSe2243.7 cm-1减至单层MoSe2241.2 cm-1,两到五层MoSe2的几层MoSe2的峰分别位于242.1 cm-1242.4 cm-1242.6 cm-1242.8 cm-1[6]

PL表征图

PL研究显示在805 nm处有一个显着的发射峰,证实了单层MoSe21.55 eV处的直接带隙。与单层对应物相比,双层区域的PL强度显着降低了35倍。[5]

AFM表征图

显示出约为0.7nm的单层MoSe2厚度[5]

 

4、二硒化钨

 

 光学表征图

二硒化钨WSe2单晶光学图,单晶为三角形,单晶均匀,存在(100)和(110)两种晶向,支持定做单晶尺寸,可达百微米级别的单晶。

拉曼光谱

CVD生长的WSe2单分子层在250.5 cm-1261.9 cm-1处显示两个特征峰。所有拉曼信号特征均与机械剥离单层样品的特征一致,表明在我们的CVD样品中不存在明显的应变和掺杂[7]

PL光谱

PL光谱在≈752nm处显示一个尖锐峰,在半最大值处的全峰约为≈29 nm,这是直接带隙半导体的一个特征。[7]

AFM表征图

显示出0.729nm的单层WSe2厚度[7]

 

5、其他

 

除上述TMDs材料外,厦门十一维科技有限公司还提供二硫化锡、二硒化铂、二硒化钯、二硒化铼、硒化铋及任意材料之间的异质结材料,欢迎新的咨询

 

三、应用

 

1、气体、生物及光电传感器

TMD的二维(2D)结构由于其出色的分子传感能力,独特的物理和化学特性(包括半导体特性和高的体积比)而引起了人们的兴趣。这些具有原子薄层结构的二维层状材料,例如MoS2WS2ReS2MoSe2WSe2ReSe2,是潜在有效的传感材料。

它适用于电子,光电和气体传感领域的大型设备。这些2D TMD适用于室温感测,但恢复性很差,而在热辅助或UV照明下却能达到高性能,但存在能耗问题

3.1.1

用这些原子上薄的2D材料制成的一些室温气体传感器基于难以制造的场效应晶体管(FET),从而限制了传感器生产的产量。[8]

 

2、超级润滑剂

 

WS2MoS2的多壁密闭笼式(富勒烯样IF)纳米颗粒(NP)及其纳米管(INT)于1992年被发现。它们显示出非常好的摩擦学行为,具有许多潜在的应用,例如润滑液的添加剂;作为自润滑涂层和用于改善纳米复合材料的机械性能。实际上,基于这些新的纳米材料的产品已经商业化。由于WS2MoS2IF NP是半导体材料,因此预计纳米粒子表面附近的传导电子会影响它们的许多特性,包括它们的摩擦和磨损行为。耗散系统(如摩擦学界面)不可避免地会积累静电荷,因此有望在其机械性能和电气性能之间表现出清晰的相互联系。这种现象最早是由库仑系统地研究的,已针对磁数据存储介质进行了彻底研究。[9]

 

3、电池材料

 

硫化钼(MoS 2)是可充电锂电池的常用阳极材料,因为它在充电/放电过程中导致电子转移反应,并且比商用石墨材料(372 mAh/g-1)更高的容量。然而,MoS 2阳极的容量下降和劣质的高速率性能是最终商业化的主要障碍。迄今为止,许多研究人员已经致力于通过使用纳米技术来增强MoS 2或含MoS 2的复合阳极的电化学性能和高倍率性能。[10]

 

4、太阳能电池

 

层状二硫化钼(MoS2)是一种新兴的半导体,由于其令人着迷的电学和光学特性,在研究界引起了越来越多的关注。单层的MoS2纳米薄片载流子迁移率值超过200 cm2 / Vs,多层MoS2的载流子迁移率值高达517 cm2 / Vs。据报道,显示出良好的电子传导能力。就光学性质而言,MoS2在其单层中分别表现出直接带隙(1.85 eV),在多层/本体形式中分别表现出间接带隙(1.2 eV)。由于材料的光学带隙取决于物理厚度(或层数), MoS2被认为是光伏太阳能电池应用的潜在可行候选物。[11]

1997年,Gourmelon等人。报道了MoS2在太阳能电池中的使用。证明了BHJ太阳能电池使用单层/多层MoS2纳米薄片/ TiO2纳米颗粒和P3HT作为空穴导体的复合膜。[12]

 

四、市场分析

 

从目前二硫化钼消费市场看, 润滑油及脂中添加占总消费量近80% , 主要应用于汽车、工业用机器、机械、航空航天, 电子通讯行业。粉剂润滑主要用于金属拉丝、兵器膛壁内涂等。板块润滑通过有机调和, 制成润滑板或润滑块应用于大型设备的平动滚动润滑。复合材料制备是将二硫化钼与尼龙、塑料等复合制成设备零部件。防腐材制备为二硫化钼提供了一个新的市场, 应用二硫化钼对无氧酸的稳定性, 通过制膜、喷涂等技术, 为化工、石油等行业管道, 塔釜提供防腐保护。科技工作者对二硫化钼的应用领域在不断地进行研究, 开发之中, 二硫化钼市场会越来越大。

 

五、参考资料

 

[1] Ibrahem, Mohammed Aziz, et al. "High quantity and quality few-layers transition metal disulfide nanosheets from wet-milling exfoliation." RSC advances 3.32 (2013): 13193-13202.

[2] Q. H. Wang , K. Kalantar-Zadeh , A. Kis , J. N. Coleman , M. S. Strano , Nat. Nanotechnol. 2012 , 7 , 699 .

[3] Shi, Jianping, et al. "Temperature‐Mediated Selective Growth of  MoS2/WS2 and WS2/MoS2 Vertical Stacks on Au Foils for Direct Photocatalytic Applications." Advanced Materials 28.48 (2016): 10664-10672.

[4] Cong, Chunxiao, et al. "Synthesis and optical properties of large‐area single‐crystalline 2D semiconductor WS2 monolayer

from chemical vapor deposition." Advanced Optical Materials 2.2 (2014): 131-136.

[5] Xia, Jing, et al. "CVD synthesis of large-area, highly crystalline MoSe 2 atomic layers on diverse substrates and application to photodetectors." Nanoscale 6.15 (2014): 8949-8955.

[6]  Jung, Chulseung, et al. "Highly crystalline CVD-grown multilayer MoSe 2 thin film transistor for fast photodetector." Scientific reports 5.1 (2015): 1-9

[7] Gao, Yang, et al. "Ultrafast growth of high‐quality monolayer WSe2 on Au." Advanced Materials 29.29 (2017): 1700990

[8] Joshi, Nirav, et al. "A review on chemiresistive room temperature gas sensors based on metal oxide nanostructures, graphene and 2D transition metal dichalcogenides." Microchimica Acta 185.4 (2018): 213.

[9] Rapoport, L., et al. "High lubricity of re-doped fullerene-like MoS 2 nanoparticles." Tribology Letters 45.2 (2012): 257-264.

[10] H. Liu, D. Su, R. Zhou, B. Sun, G. Wang and S. Z. Qiao, Adv. Energy Mater., 2012, 2, 970–975.

[11] Shanmugam, Mariyappan, et al. "Molybdenum disulphide/titanium dioxide nanocomposite-poly 3-hexylthiophene bulk heterojunction solar cell." Applied Physics Letters 100.15 (2012): 153901.

[12 3E. Gourmelon, O. Lignierb, H. Hadoudaa, G. Couturierb, J. C. Berne`dea, J. Teddb, J. Pouzeta, J. Salardenne, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 46, 115–121 (1997).

 

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